考虑土壤空间变异的喷灌变量水分管理模式研究

The relatively large area controlled by a continuously movable large sprinkler machine increased the difficulty of water management because of the spatial variability in soil properties. Variable rate irrigation was the optimal water management practice for high soil spatial variable field, while because their application on sprinkling machine was late, there was lack of decision support system to make the operating management zones and to model the water management, and consequently could not satisfy the rapid development of sprinkling machine. The technical route combing the field experiment with mathematic simulation would be used in this project. Taken the field crop widely used in the sprinkling machine controlling area as the research object, the water management pattern based on the variable rate irrigation and soil properities would be studied for sprinkling machine. The benefit assessment for variable rate irrigation would be evaluated by studying the response of crop, soil and atmosphere to variable rate irrigation. The water management model with considering the soil spatial variability would be constructed by modifying the crop coefficients at differnet management zones. The block division method of variable rate irrigation would be proposed for sprinkling machine based on the crop model. The expected results are highly valuable for studying the effects of soil spatial variability on crop growth and the adaptation mechanism of water management to soil spatial variability. At the same time, they are useful to promote the automation and precise development of sprinkling machine.

单机控制面积大的特点使土壤空间变异性成为大型喷灌机水分管理的难点，而变量灌溉是考虑土壤空间变异性的最优水分管理措施。由于变量灌溉在大型喷灌机中的应用起步较晚，尚缺乏决策支持系统来制定经济合理的灌溉管理区数量和尺寸，并缺乏考虑土壤空间变异性的变量喷灌水分管理模型，不能满足大型喷灌机快速发展的需求。本项目拟采用田间试验与数学模拟紧密结合的技术路线，以我国大型喷灌机发展较多的大田行播作物为对象，研究变量灌溉条件下作物、土壤、大气的响应特征，进行变量灌溉效益评估；利用分区修正作物系数的方法建立考虑土壤空间变异的变量喷灌水分管理模型，并基于作物模型建立变量灌溉管理分区方法。预期结果对定量评估土壤空间变异对作物生长的影响程度，探明水分管理对土壤空间变异的适应机制具有重要学术意义，同时对满足我国大型喷灌机日益增长的科技需求，促进大型喷灌机的自动化和精准化发展具有重要应用价值。

为了解决农田尺度内土壤空间变异导致的作物生长和产量分布不均匀问题，本课题基于变量灌溉技术，搭建了国内第一台具有自主知识产权的圆形喷灌机变量灌溉系统。通过对该系统进行水力性能测试，评估了变量灌溉系统的建立对圆形喷灌机水力性能的改变程度，提出了变量灌溉水深精准控制方法。通过该系统的田间应用，提出了基于土壤可利用水量的变量灌溉管理分区方法；以均一灌溉为对照，对比研究了变量灌溉管理对作物生长、产量及其空间均匀性的影响，评估了变量灌溉技术节水增产效果；研究了土壤空间变异对作物产量和水分生产效率的影响，提出了需根据土壤空间变异特性分区制定灌水下限的变量灌溉水分管理方法，以及农田尺度内土壤水分传感器埋设方法。研究结果为发展变量灌溉技术管理水平，提高喷灌机水分管理精度和灌溉水利用效率提供了重要指导意义。主要研究结论如下：.（1）变量灌溉系统的建立不会改变喷灌机周向灌水均匀性，但径向灌水均匀系数由于喷头水量的叠加作用降低了9~12个百分点。喷灌机行走速度和电磁阀占空比的非耦合作用导致灌水深度平均低估了1.46 mm。为提高灌水深度控制精度，需根据电信号中的“抽样定量”调节电磁阀脉冲周期。.（2）在不同管理区基于相同的灌水控制指标进行变量灌溉管理时，与均一灌溉相比，夏玉米节水14%，冬小麦灌水量相同；变量灌溉对冬小麦、夏玉米生长指标、产量及其空间均匀性的影响均未达到显著水平。但是除2014的夏玉米外，不同管理区的冬小麦和夏玉米产量、水分生产效率产生了显著差异。这表明土壤可利用水量可用于进行变量灌溉管理分区，解释土壤空间变异特性；为获得更高的变量灌溉效益，建议不同管理区采用不同的灌水控制指标。.（3）变量灌溉管理减小了整个试验田内土壤含水率空间结构的时间稳定性，且改变程度与降雨量有关。基于平均含水率点位提出了确定变量灌溉管理区内土壤水分传感器埋设位置的方法，并基于土壤粘粒含量提出了平均含水率点位的预判方法。

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